高强耐温变的压接二极管的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种压接二极管，其具有通过一连接层在一底座和一顶部金属线之间进行固定的半导体芯片。所述连接层至少在所述芯片正面上相对于所述芯片外缘环围地退缩。在所述半导体芯片的无连接层的区域上具有一环围的、绝缘的第一塑料层。此外，设置一完全环围的、绝缘的第二塑料层，其将所述第一塑料层的径向在内的端部区域进行搭接。
【专利说明】高强耐温变的压接二极管
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高强耐温变的压接二极管。这种二极管特别适合作为在机动车发电机系统中使用的二极管。
【背景技术】
[0002]在机动车发电机系统中为了对交流电或者说三相电流进行整流，大多使用由硅制成的PN二极管。通常这些二极管被安装在特殊的壳体-所谓的压接壳体中，如从图1中可见。所述压接二极管在此情况下具有一设有滚花的压接底座1，其被压接到一整流器装置的相应的凹部中。所述压接底座在此情况下同时接管整流器二极管与整流器装置的持久的热连接和电连接。所述压接底座具有一紧固区域，在其上一半导体芯片3例如通过一焊剂4来固定。在此情况下所述半导体芯片3的上侧面和下侧面完全设有一薄的、可钎焊的、在附图中未示出的金属化结构。所述金属化结构例如由不同金属的层顺序部构成。例如可以采用由Cr、NiV7和Ag构成的层顺序部。在所述半导体芯片3上又同样例如通过一焊剂5固定一所谓的顶部金属线6，其电地通过钎焊或熔焊或一其它的固定技术牢固地与所述整流器的其它部件接触。在两个铜部件之间进行钎焊的硅芯片3以一绝缘的塑料质量体7包裹。例如以石英颗粒填充的环氧树脂或一其它的高强耐温的塑料可以用作塑料质量体。为了引入所述塑料质量体7，大多数情况下安装一附加的塑料环8。常常还具有一在图1中未示出的、在所述芯片3和所述环氧树脂7之间的附加的、软的塑料层。优选为含铅的铜焊剂的所述焊剂4、5在某些情况下设有一由镍制成的薄的表面层。
[0003]在二极管的工作中出现的功率下降会转变成热，并且经由所述压接二极管壳体和所述发电机的整流器输出到空气中。由此提高了二极管的阻挡层温度Tj。这样在高的发电机电流和附加的高的周围温度的情况下在二极管处测量到直至240°c的阻挡层温度Tj。在实践中机动车发电机的二极管经受许多温度周期。例如应该以低于1%的失效率经受住3000个温度周期。通过越来越多地使用现代的起停系统或者说再生系统使得该情形更严峻，在此情况下，会额外地出现大约40°C至80°C的大约0.2-2百万个温度周期，所述温度覆盖了平均的二极管温度。
[0004]在高温的情况下所采用的焊剂4、5不允许熔化。因此，也出于最小的焊剂磨损的原因，采用一种焊剂，其熔化温度Ts尽可能远高于最大出现的阻挡层温度Tj。这样，至今为止通常采用含铅高的焊剂，其固相温度Ts位于300°C之上。
[0005]在二极管中接合到一起的物质:硅、含铅的焊剂和铜具有在物理的材料特性上的很大区别。这样，例如膨胀系数和弹性模量很大地不同。因此在温变的情况下出现高的机械应力。在温度升降期间在钎焊剂中出现的机械应力在此情况下快速地达到并且超过所述焊剂的弹性极限。这导致了所述焊剂开始塑性变形。在此情况下会出现被称作焊剂蠕动的过程。在压接二极管的情况下所述焊剂在此情况下随着时间的推移从其原始位置中涌出来并且沿着铜侧面或者说芯片侧面继续蠕动。原则上所述效应不仅在含铅的软焊剂中也在不含铅的软焊剂中以及在一些烧结层的情况下出现。[0006]在图2中示出了在图1中所示的压接二极管的一部分的放大的横截面示图。附图标记很大程度地与图1中的相同。所述半导体芯片3划分成具有不同的传导性类型的区3a和区3b，所述区通过一 PN过渡区分开。所述PN过渡区位于所述芯片上侧面下方的一伸入深度xj中。整个芯片厚度以d表示。所述区3a可以例如由P-掺杂的硅构成并且所述区3b由η掺杂的硅构成。当然也可以选择反过来的层顺序部。重要的是，所述PN过渡区30足够达到芯片边缘，也就是说，在芯片边缘处出来。
[0007]这时如果在具有温变负荷的工作期间出现焊剂蠕动，则所述焊剂可以沿着所述芯片边缘蠕动，特别是针对如下情况，即所述伸入深度xj很小，则所述焊剂5可以略微搭接所述区3a。当所述焊剂5经由所述芯片边缘处的区3a经由所述PN过渡区30蠕动到所述区3b，则所述二极管短路。
[0008]在DE 10 2010 028 196 Al中建议一种装置，其中，焊剂的蠕动路程被延长且由此延迟了通过焊剂蠕动引起的短路。由此提高了所述压接二极管的耐温变性或者说在相同的耐温变性的情况下提高了最大允许的芯片温度Tj。另一个优点在于，提供了如下的可能性，即半导体二极管以特别平整的PN过渡区或者构件在压接二极管壳体中进行包装，在所述构件中，所述PN过渡区不在所述芯片边缘处截止。所述优点通过如下方式实现，即在压接二极管的情况下，其具有一通过软焊剂在一底座和一顶部金属线之间进行固定的半导体芯片，所述软焊剂在外部区域中相对于芯片外缘环围地退缩(zuriickgezogen)。
[0009]在图3中示出了在图1中所示的压接二极管的一部分的放大的横截面示图。附图标记很大程度地与图1中的相同。与根据图1或2的压接二极管不同，所述焊剂层5以一间距C相对于所述芯片边缘退缩。这通过如下方式实现，即在所述焊剂5和所述芯片边缘之间具有一完全地环围的、电绝缘的介电层10。由于所述软焊剂5仅与芯片的如下部位连接，所述部位由未示出的芯片金属化结构构成，因此也仅在如下部位处构造一焊剂层，所述部位不被绝缘层10遮盖。所述可钎焊的芯片金属化结构在图3中为了概览起见未示出。所述半导体的正面上的可钎焊的层也可以大致在所述介电层10上延伸。可以采用薄的、在半导体技术中常见的材料，如热的氧化物、低温氧化物(LT0)、掺杂的硅玻璃如BSPG、氮化硅层等等，或者说它们的层顺序部来作为绝缘层。所述半导体芯片3具有以d标记的芯片厚度。这时如果在具有温变负荷的工作期间出现一焊剂蠕动，则所述焊剂可以蠕动直到芯片边缘。当所述焊剂5经由所述区10蠕动到芯片边缘，则会出现与硅的短路。在芯片边缘处具有一 PN过渡区的构件中，所述焊剂在出现短路之前还必须克服所述间距。
[0010]在图3中所述焊剂层5位于与所述顶部金属线6的接触中，所述焊剂层4位于与所述底座I的接触中。当然也可以调换所述侧面，从而所述退缩的焊剂层5与所述底座I接触。
【发明内容】
[0011]相反，具有在权利要求1中记载的特征的压接二极管具有如下优点，即在制造压接二极管时防止了连接层的流出，加大了所述连接层蠕动的难度，并且进一步提高了所述压接二极管的耐温变性。这些优点基本上通过如下方式实现，即一压接二极管具有通过一连接层在一底座和一顶部金属线之间进行固定的半导体芯片，其中，所述连接层至少在芯片正面相对于芯片外缘环围地退缩，并且在所述半导体芯片的无连接层的区域中设有完全环围的绝缘的第一塑料层、完全环围的绝缘的第二塑料层，所述第二塑料层搭接所述第一塑料层的径向地位于内部的端部区域。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]本发明的有利的设计方案和改进方案以及本发明的其它优点从其下面的、参照附图4至7的示例性的阐释中给出。其中:
图1示出了根据现有技术的压接二极管的横截面示图，
图2示出了图1中的压接二极管的一部分的放大的横截面示图，
图3示出了图1中的压接二极管的一部分的放大的横截面示图，
图4示出了具有压出的焊剂的压接二极管的一部分的横截面示图，
图5示出了根据针对本发明的第一实施例的压接二极管的一部分的横截面示图，
图6示出了用于说明所述压接二极管的失效可能性的威布尔图表以及 图7示出了根据针对本发明的第二实施例的压接二极管的一部分的横截面示图。
【具体实施方式】
[0013]本发明已经认识到，在制造压接二极管时，如在图3中可见，所述焊剂层5经由所述绝缘层10挤压。这在图4中示出，从图4可见，所述焊剂层5在钎焊过程之后已经将所述绝缘层10以一距离(C-D)搭接，其中，C是在不搭接的情况下所述焊剂的蠕动路程并且D是在搭接的情况下所述焊剂的蠕动路程。因此由于所述的搭接而出现所述蠕动路程的减小，通过所述减小，减小了已知的压接二极管的耐温变性。
[0014]所述焊剂层5在所述绝缘层10上的搭接可以追溯到不同的原因。属于所述原因的有例如在钎焊期间施加到所述顶部金属线上的压力、钎焊过程中的偏差(Streuungen)、所述底座I或所述顶部金属线6 (参见图1)的表面品质的波动。此外，存在如下可能性，即所述压接二极管的组成部分在接合期间以不希望的方式倾翻。
[0015]在具有根据本发明的特征的压接二极管的情况下，以有利的方式减小了并且在许多情况下甚至完全防止了被压出的焊剂的出现。此外，减小了在制造压接二极管的情况下相对于过程波动的敏感性。此外，进一步提高了相对于已知的压接二极管的耐温变性。
[0016]图5示出了根据针对本发明的第一实施例的压接二极管的一部分的横截面示图，其中，在图5中采用如在之前的附图中相同的附图标记。在参照图5所示的压接二极管中，除了环围的第一绝缘层10之外，设置环围的第二绝缘层11，所述第一绝缘层是一塑料层，所述第二绝缘层同样是一塑料层。
[0017]所述第一塑料层10具有例如在Iym至2μπι的范围中的厚度。所述第二塑料层11以一宽度F沉积到晶片上。其以一距离(F-E)搭接所述第一塑料层10并且以宽度E搭接一设置的、但未示出的可钎焊的芯片金属化结构。所述第二塑料层11优选由聚酰亚胺制成。其可以例如具有一位于5 μ m和IOym之间的范围中的厚度、一 240μπι的宽度F以及一与可钎焊的金属化结构E的50 μ m的搭接区域。代替聚酰亚胺，所述第二塑料层11也可以由另一种耐温性的高效率塑料或者说高性能塑料(Hochleistungskunststoff)制成。
[0018]所述半导体芯片的正面上的未示出的金属化结构又可以大致在所述介电层10上延伸。重要的是，其以一宽度E被聚酰亚胺层11搭接。所述宽度F—般来说具有一个值，该值大于焊剂层厚度dL。如果在钎焊过程中所述焊剂在形成一完全环围的环的所述完全环围的聚酰亚胺层11内定位并且熔化，则所述焊剂在钎焊过程期间可靠地保持在所述聚酰亚胺包围体内的区域中。借助于根据本发明的措施可靠地防止了所述焊剂的流出。因此所述钎焊过程相对于波动的敏感性要小得多。例如即使在过高的钎焊温度的情况下也能够抑制所述焊剂的常见的流出。
[0019]通过引入聚酰亚胺环对钎焊品质的改进，引起了耐温变性的明显改善。在图6中以威布尔分布图的形式图形化地示出了主动的温变测试的结果。在此，百分比的失效(失效可能性W)作为周期数N的函数示出。在所示的例子中，根据图5的根据本发明的压接二极管以及根据图3的已知的压接二极管经受在70°C和200°C之间的主动的温变。参照走向Kl和K2可见，通过引入一聚酰亚胺环11明显提高了威布尔直线的坡度，如从走向Kl可见。这意味着，在根据本发明的压接二极管的情况下出现更少的提前失效。该有利的、更高的坡度追溯到通过所述聚酰亚胺环11的改善的耐温变性，其防止了在钎焊时焊剂的流出以及焊剂的蠕动。走向K2描绘出了在没有根据本发明的第二塑料层11的情况下压接二极管的失效可能性的走向的特性。
[0020]在图7中展示了本发明的第二实施方式。附加于按照图5的布设，在所述介电层10上涂覆了另一个、完全环围的、更厚的具有宽度H的塑料环12，其具有相对于内部的塑料环11的间距G。所述宽度H可以例如为50 μ m,所述宽度F等于140 μ m,所述搭接部E为50 μ m以及所述间距G为50 μ m。当然也可以选择其它的尺寸。该实施方式延长了蠕动路程且因此更进一步防止了焊剂蠕动。
[0021]原则上也可以涂覆其它的通过一间距分开的类似于层12的层，从而例如在芯片的边缘处存在由高效率塑料制成的三个或四个完全环围的层。
[0022]在所有的根据本发明的布设中有利的是，所述环围的第二塑料层11或者说所述其它的塑料层12不是刚好在芯片边缘处截止，而是以相对于芯片边缘的一定的间距截止。例如在按照图5的实施例的情况下所述间距为[C - (F-E)]。在晶圆上将芯片隔开的情况下，必须确保刀片不切断所述塑料层。否则的话必须考虑到在切割边棱上的提高的硅喷溅(Siliziumausbriichen)情况。对于薄的介电层10无须遵守这种限制。
[0023]综上所述，通过本发明提供了一种压接二极管，其中，一完全环围的绝缘的第二塑料层以如下方式涂覆在所述半导体芯片上，使得在钎焊过程中防止在芯片边缘处出现的所述焊剂的流出，加大了焊剂蠕动的难度并且提高了所述压接二极管的耐温变性。在此，代替所述的焊剂层5，也可以采用一烧结层作为连接层。压接二极管例如是一种肖特基二极管，特别是沟槽MOS势鱼肖特基二极管(Trench-MOS-Barrier-Schottky-Diode)或者是一种槽沟结势垒.肖特基二极管(Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode)。除了娃之外也可以采用一种宽带隙半导体作为半导体材料，特别是由SiC或GaN制成的半导体材料。
[0024]根据本发明的压接二极管可以特别用作交流发电机中的整流器二极管，特别是具有再生运行(Rekuperationsbetrieb)的交流发电机中的耐温变的整流器二极管,或者用作太阳能模块中的特别是耐温变的旁通二极管。
【权利要求】
1.压接二极管，具有通过一连接层在一底座和一顶部金属线之间进行固定的半导体芯片，其中，所述连接层至少在芯片正面相对于芯片外缘环围地退缩，并且在所述半导体芯片的无连接层的区域上设有一环围的绝缘的第一塑料层，其特征在于，设有一完全环围的绝缘的第二塑料层(11)，所述第二塑料层搭接所述第一塑料层(10)的径向地位于内部的端部区域。
2.按照权利要求1所述的压接二极管，其特征在于，所述第二塑料层(11)由一高效率塑料制成。
3.按照权利要求2所述的压接二极管，其特征在于，所述第二塑料层(11)由聚酰亚胺制成。
4.按照前述权利要求中任一项所述的压接二极管，其特征在于，所述第二塑料层(11)具有比所述第一塑料层(10)更大的层厚度。
5.按照前述权利要求中任一项所述的压接二极管，其特征在于，所述压接二极管具有环围的绝缘的其它塑料层(12)，所述其它塑料层的层厚度大于所述第一塑料层(10)的层厚度。
6.按照前述权利要求中任一项所述的压接二极管，其特征在于，所述第二塑料层和所述其它塑料层中的每一个塑料层的层厚位于3 μ m和20 μ m之间的范围中。
7.按照前述权利要求中任一项所述的压接二极管，其特征在于，所述第二塑料层的宽度(F)大于所述连接层(5)的厚度(dL)。
8.按照前述权利要求中任一项所述的压接二极管，其特征在于，所述第二塑料层和/或所述其它塑料层(11、12 )中的一个塑料层完全定位在所述第一塑料层(10 )上。
9.按照前述权利要求中任一项所述的压接二极管，其特征在于，采用硅或者一宽带隙半导体作为半导体材料。
10.按照权利要求9所述的压接二极管，其特征在于，采用SiC或GaN作为半导体材料。
11.按照前述权利要求中任一项所述的压接二极管，其特征在于，所述连接层是一焊剂层或一烧结层。
12.按照前述权利要求中任一项所述的压接二极管，其特征在于，所述压接二极管是一肖特基二极管。
13.按照权利要求12所述的压接二极管，其特征在于，采用沟槽MOS势垒肖特基二极管或者槽沟结势垒肖特基二极管作为肖特基二极管。
【文档编号】H01L29/872GK103579374SQ201310341575
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2012年8月8日
【发明者】R.斯皮茨, A.戈尔拉奇, T.克努普弗 申请人:罗伯特·博世有限公司